Photovoltaiktechnik

Die Möglichkeit, Strom direkt aus dem allgegenwärtigen, energiereichen Sonnenlicht zu gewinnen, ist faszinierend. Jeden Tag liefert sie uns 5.000 mal so viel Energie, wie die gesamte Erde braucht. Allerdings standen von Anfang an sehr hohe Anschaffungskosten einer nur geringen Leistung gegenüber, was bis heute ein wesentliches Hemmnis für die breite Einführung dieser Technik ist. Dennoch ist die Idee bestechend: Die Sonne ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle, die Zellen benötigen keinen Brennstoff, arbeiten ohne Emissionen und sind in dieser Hinsicht im Betrieb umweltfreundlich. Freilich sinkt bei schwachem Sonnenschein die Leistungsabgabe und man braucht bei einem großem Energiebedarf viel Fläche. Zudem wird die Klimabilanz deutlich schlechter, wenn man nicht nur den Betrieb, sondern auch den Aufwand für die Herstellung bewertet. Nichtsdestotrotz stehen ausgereifte Anlagen zur Verfügung, für die es eine Vielzahl von interessanten Anwendungsmöglichkeiten gibt. Solarstromanlagen werden entweder im Inselbetrieb oder parallel zum Stromnetz betrieben. Im letzteren Fall übernimmt das öffentliche Stromnetz die Funktion des Stromspeichers, auf Akkumulatoren kann dann verzichtet werden.

Anwendungsgebiete

solaranlageDie zur Zeit häufigsten Anwendungen für photovoltaische Anlagen in Deutschland finden sich als dachgebundene Anlagen auf Privatwohnungen und Häusern zur Erzeugung des Eigenbedarfs an elektrischer Energ1e bzw. bei Überschuss zur Netzeinspeisung. Zumeist sind diese Anlagen an das Verbundnetz angeschlossen, um über Einspeisung und Netzbezug die Produktionsschwankungen auszugleichen. Um bei fehlenden Energiebezug die Stromversorgung auch nachts sicherzustellen, benötigen Photovoltaiksysteme als zweite wichtige Komponente einen Energiespeicher. Die Batterien müssen jedoch hohen Anforderungen genügen, um die Schwankungen der Stromerzeugung auszugleichen. Speicher sind jedoch teuer und erfordern einen gewissen Wartungsaufwand. Die Wirtschaftlichkeit photovoltaischer Anlagen steigt mit den Vergleichskosten einer netzgebundenen Stromversorgung. Diese sind dann besonders hoch, wenn es sich um neue Anschlüsse oder Kleinstverbraucher handelt, die nicht unmittelbar über eine Netzzugangsmöglichkeit verfügen. So kann Solarstrom an entlegenen Standorten weitab von einem Stromnetz mit einem Preis von zz. etwa 0,75 EUR pro Kilowattstunde schon heute mit Strom aus einem Dieselaggregat konkurrieren. Bereits heute werden viele Parkschein-Automaten, beleuchtete Verkehrsschilder, Strecken-Telefone, Stau-Sensoren etc. preiswerter mit Solarstrom versorgt als dies mit netzgebundener Energie möglich wäre. Weitere sinnvolle Einsatzmöglichkeiten sind bei landwirtschaftlichen Anwendungen wie Elektroumzäunungen, Fischteichbelüftungen, Bewässerungen, Beregnungen, Gewächshäusern, usw. gegeben. Seit langem bevorzugt wird der Einsatz von Photovoltaik in der Raumfahrt- und Satellitentechnik.

Begriffserklärung und Geschichte

Photovoltaik-AnlageDas Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Photovoltaik ist die Technik der direkten Umwandlung eingestrahlter Lichtenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Sie beruht auf der Fähigkeit bestimmter fester Körper (Halbleiter), durch Lichtenergie erzeugte Ladungsträger unter bestimmten Bedingungen gerichtet freizusetzen bzw. räumlich zu trennen (photovoltaischer Effekt). Henry Becquerel, ein französischer Physiker, entdeckte 1839 den Photoeffekt und schuf so die Voraussetzungen für die Solarzellen von heute. Ende des 19. Jahrhunderts baute Charles Fritts so genannte Vakuum-Fotozellen mit aufgedampfter Selen-Schicht. Erste technische Anwendungen dieses photovoltaischen Effekts aber finden sich erst in den 1930er-Jahren, als Selenzellen zur Lichtmessung verwendet wurden, und dann in den 1950er-Jahren, als „Vanguard 1“, der erste Satellit mit einem solarautarken photovoltaischen Stromgenerator aus Solarzellen an Bord, in den Weltraum flog. Diese wurden als Belichtungsmesser eingesetzt. Solarzellen aus Silizium sind noch recht neu: Sie wurden in den 50er Jahren des 20.Jahrhunderts von dem US-Konzerns Bell hergestellt und wiesen einen Wirkungsgrad von 6% auf. In den letzten Jahrzehnten wurde die Photovoltaik stetig weiterentwickelt, besonders im Umfeld der Raumfahrt-Technologie. Kaum mehr ein Satellit, der seine elektrische Energie nicht aus einem Photovoltaikgenerator bezieht, kaum ein Industrieland, das nicht Photovoltaikanlagen produziert, kaum ein Land der Erde, das nicht Photovoltaikstrom nutzt.

Funktionsprinzip

voltaik-zellenDie physikalische Grundlage der Solarzellen ist der innere Photoeffekt, wie er in Halbleitern auftritt: Das Sonnenlicht erhöht die Energie eines Teils der Elektronen, die dadurch zum elektrischen Stromfluss beitragen können. Der Photoeffekt allein liefert aber noch keine Photospannung; normalerweise würden die durch Sonnenstrahlung ins Leitungsband gehobenen Elektronen nach sehr kurzer Zeit in ihren Grundzustand zurückfallen. Dem kann mittels einer geeigneten Konstruktion aus dotierten Halbleiterschichten entgegengewirkt werden. Eine Solarzelle ist vereinfacht aus einer n-halbleitenden und einer p-halbleitenden Schicht aufgebaut. Dort, wo die Schichten sich berühren, im p-n-Übergang, entsteht ein inneres elektrisches Feld, weil Elektronen in den p-Halbleiter und Löcher in den n-Halbleiter wandern, um das Gefälle der Ladungsträger in der Grenzschicht auszugleichen. Erzeugt die Sonnenstrahlung durch den inneren Photoeffekt ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe des p-n-Übergangs, so wandert unter dem inneren Feld das Elektron zum n- und das Loch zum p-Halbleiter. Dadurch entsteht eine dem inneren Feld entgegengesetzt gerichtete Photospannung von etwa 0,5 Volt, die mittels Kontaktierungen auf Vorder- und Rückseite der Zelle abgegriffen werden kann. Die elektrische Leistung einer einzelnen Solarzelle ist zu klein, um sie einzeln zu betreiben. In Photovoltaikanlagen sind daher viele Solarzellen zu Modulen zusammengeschaltet. Mehrere Module zusammen bilden einen Photovoltaikgenerator.

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